钛及钛合金拥有密度小、比强度高、耐侵蚀和生物相容性好等良好机能，是极其重要的轻质结构资料，宽泛用于航空航天、车辆工程和生物医学工程等领域，拥有重要的利用价值和辽阔的利用远景[1-3]。。其中，TC20(Ti-6Al-7Nb)钛合金作为第 2 代 α+β 型医用钛合金，其机械机能与 Ti-6Al-4V 合金相当，且以无毒的 β相不变元素 Nb 取代了毒性元素 V，解除了 V 元素对人体的毒害作用，被宽泛用作外科植入物金属资料[4,5]。。

众所周知，大无数钛合金产品在最终使用前都要进行热处置，利用钛合金在加热和冷却过程产生的相变获得所进展的组织，从而改善合金的力学机能和工艺机能[6]。。通过合理节制热处置工艺参数，可实现合金的最佳强韧性匹配。。其中，固溶时效又称强化热处置，利用相变产生强化成效，是钛合金热处置强化的重要方式[7]。。断裂韧性 KIC 表征资料抵抗裂纹扩大的能力，是资料的固有个性，只与资料的化学成分、热处置及加工工艺有关[8]。。目前，国内外针对TC20钛合金的钻研重要集中在热变形行为、力学机能和理论改性等方面[9-11]，而对经固溶时效后TC20钛合金的断裂韧性钻研还较少。。

本钻研以锻态TC20钛合金为钻研对象，对其进行分歧的固溶时效处置。。选取光学显微镜、扫描电镜和显微维氏硬度计等伎俩，结合室温拉伸试验和平面应变断裂韧性试验，钻研分歧固溶温度和时效温度对TC20 钛合金的显微组织、力学机能和断口描摹的影响，旨在优化固溶时效工艺，为该合金的现实出产制订合理的热处置工艺提供理论凭据。。

1、尝试

尝试资料为Φ100 mm255 mm的锻态TC20钛合金棒材，其化学成分(质量分数，%)为:5.9Al、7.2Nb、0.36 Ta、0.18 Fe、0.06 C、0.023 N、0.006 H、0.18 O，其余为Ti。。该合金的α+β→β相变温度约为1010℃。。TC20钛合金的原始组织由等轴和板条状的初生α相以及片层状β转变组织组成，为典型的双态组织，如图1所示，在扫描电镜照片中能够清澈地观察到很多藐小片层。。从锻棒坯料上取样，选取机械加工将TC20钛合金制备成Φ8mm×12mm的圆柱状试样，而后在SX2-2.5-10A型箱式电阻炉中对合金试样按表1工艺进行固溶时效处置。。将原始及热处置后的合金试样进行打磨和抛光，选取HVS-1000型数显显微维氏硬度计测试合金硬度,选取试剂HF:HNO₃:H₂O体积比为1:3:9的Kroll试剂进行侵蚀，最后通过XJP-6A光学显微镜观察金相组织。。

室温拉伸试验依照GB/T228.1-2010《金属资料拉伸试验第1部门:室温试验步骤》在INSTRON8801电液伺服委顿试验机上执行，拉伸速度为1mm/min，试样标距尺寸为Φ7mm×35mm。。测定合金的抗拉强度(σ_b)、屈服强度(σ_s)、伸长率(δ)、断面收缩率(ψ)和弹性模量(E)。。平面应变断裂韧性试验选取尺度紧凑拉伸(CT)试样，试样均取L-R向，厚度B=18mm，具体尺寸如图2所示。。试样缺口选取钼丝进行线切割，CT试样委顿裂纹的预制及静加载断裂均在INSTRON8801电液伺服委顿试验机上进行，具体试验步骤和数据处置均依照GB/T4161-2007《金属资料平面应变断裂韧度KIc试验步骤》进行。。利用SU1510型钨灯丝扫描电子显微镜观察拉伸试样和CT试样的断口描摹特点。。

表1 TC20钛合金固溶时效处置工艺参数

Table 1 Solution aging treatment process parameters ofTC20titanium alloy

Note: WQ: water quenching; AC: air cooling; solution time: 0.5 h;aging time:4h

2、了局与分析

2.1固溶温度对TC20钛合金显微组织和硬度的影响

图3为TC20钛合金在分歧固溶温度下保温0.5h后水冷的显微组织。。如图3a所示，当固溶温度为900℃时，初生α相的体积分数削减，次生α相析出，归并并长大。。图3b为合金经950℃固溶处置后的显微组织,由于固溶温度较高,靠近 β相转变点,产生了 α → β相转变,部门 α相转造成 β相,水淬后保留并得到等轴α相、次生α相和亚不变β相，次生α相呈短棒状。。当固溶温度为1000℃(图3c),此时合金靠近α+β→β相变点，淬火后形成针状马氏体α'。。如图3d在β单相区经1050℃固溶处置后，合金组织中初生α相齐全隐没，交错的针状马氏体α'弥散散布在β基体上，出现各向异性。。当钛合金经高温固溶处置后急剧冷却时，由于β→α相转变的过程来不及进行，从而使β相转变为成分与母相一样，而晶体结构分歧的过饱和固溶体，即马氏体[12]。。

图4为TC20钛合金原始锻态及经900、950、1000和1050℃固溶处置后的维氏硬度柱状图。。从图中能够得知，未经固溶处置的原始锻态TC20钛合金的硬度(HV)为2846MPa，经固溶处置后，合金的硬度显著提高，并且随着固溶温度的升高，硬度呈上升趋向。。这是由于合金在两相区固溶时，温度越高，初生α相的体积分数越少，β相的体积分数增长;同时合金中的元素扩散能力加强，β相不变元素Nb，陪伴着初生α相中的Nb元素向β相扩散，富集在β相，起到固溶强化的作用[13]。。然而在1000和1050℃固溶后的硬度显著比在900和950℃固溶后的硬度高，别离高达4512、4570 MPa。。这是由于合金自 β相区淬火时， β相产生切变型晶格转变，体心立方(bcc)的β相转变为密排六方(hcp)晶格的针状马氏体α'相，天生的马氏体相拥有较高的硬度[14]。。TC20钛合金属于α+β型钛合金，其固溶处置温度通常选择在α+β→β相变温度以下40~100℃，预防在β相区加热造成晶粒粗壮，塑性降低[15]。。综合思考上述了局，以为固溶温度选择950℃较为相宜。。

2.2时效温度对TC20钛合金显微组织和硬度的影响

图5为TC20钛合金经950℃固溶处置后别离在500、550和600℃时效4h后的显微组织。：：：辖鹁倘苁毙却χ煤，亚不变β相分化为藐小的次生α相，弥散散布在β基体上。。其时效温度为500℃时，合金组织重要由等轴α相及藐小的次生a组成，组织相对均匀致密。。其时效温度升高到550℃时，次生α相逐步增多且粗化。。其时效温度持续升高到600℃时，亚不变β相齐全分化，弥散析出大量的次生α相产生归并长大,形成尺寸较大的片层状α相。。

图6为TC20钛合金在分歧时效温度下的维氏硬度变动。。从图中能够看出，随着时效温度的升高，合金的硬度呈缓慢增长的趋向，这重要是由于时效温度越高，原子扩散能力加强，有利于促使亚不变β相分化出更多的次生α相，从而产生时效硬化作用。。故而时效温度越高，合金的硬度越大。。

2.3 TC20钛合金拉伸机能和断裂韧性评价

表2为TC20钛合金的室温拉伸力学机能及断裂韧性。。从表2中能够看出，未经固溶时效处置的原始锻态TC20钛合金的塑性较好，其伸长率和断面收缩率别离高达15.49%、28.86%，但其强度较低。。经固溶时效处置后，合金试样6、7、8的力学机能较锻态试样1有显著的变动。。随着时效温度的升高，合金的抗拉强度变动不大，而屈服强度和弹性模量略有增长。。总体来看，合金的强度有所提高，塑性和韧性有所降落。。综合思考，时效温度宜选为500℃，此前提下TC20钛合金抗拉强度为1106MPa,屈服强度为1019MPa,断裂韧性高达87.6MPa·m^1/2，可实现优良的强韧性匹配。。

2.4拉伸和断裂断口描摹

图7为TC20钛合金拉伸试样的断口SEM照片。。从图7a中能够观察到，未经固溶时效处置的锻态试样1的断口凹凸升沉大，理论存在少量韧窝，尺寸大且深，注明合金的塑性较好，为典型的韧性断裂。。如图7b所示，试样6的断口散布着大量韧窝，尺寸小且均匀散布，呈韧性断裂特点。。试样7的断口理论依然散布着大量韧窝，但同时出现了二次裂纹和扯破棱(图7c)，出现准解理特点。。如图7d所示，试样8的断口理论存在少量韧窝，陪伴着形成的浮泛，出现以河道状花腔和解理台阶为特点的解理断裂。。随着时效温度的升高，拉伸试样断口理论逐步出现二次裂纹和浮泛，塑性逐步降低，与室温拉伸试验了局一致。。图8为TC20钛合金CT试样的断口SEM照片。。从图8a中能够看出，未经固溶时效处置的锻态试样1的韧性断裂断口理论布满韧窝，出现大量二次裂纹及未形成裂纹的微孔。。图8b为试样6的断口描摹，韧窝呈等轴状均匀散布，尺寸小而深，为韧性断裂。。如图8c所示，试样7的断口理论有大量微孔和扯破棱，出现准解理断裂特点。。图8d中试样8的断口理论以解理面为主，出现小韧窝和解理面混合的解理断裂特点。。随着时效温度的升高，韧窝尺寸逐步变小变浅，断裂韧性逐步降低，这与平面应变断裂韧性试验测试了局一致。。

表2 TC20钛合金室温拉伸力学机能和断裂韧性

Table 2 Room temperature tensile mechanical properties and fracture toughness ofTC20titanium alloy

3、结论

1)随着固溶温度的升高，合金的硬度呈显著上升趋向。。在两相区固溶时，随着温度的升高，初生α相的体积分数削减，β相的体积分数增长。。自β相区淬火时，β相产生切变型晶格转变，天生拥有较高硬度的针状马氏体α'相。。

2)经固溶时效处置后，亚不变β相分化为藐小的次生α相，弥散散布在β基体上。。当固溶温度(950℃)一按时，随着时效温度的升高，合金的强度和硬度提高，塑性和韧性降落。。经综合思考分析，固溶时效工艺宜选为950℃/0.5hWQ+500℃/4hAC，此前提下TC20钛合金抗拉强度为1106MPa，屈服强度为1019 MPa，断裂韧性高达87.6MPa·m^1/2，可实现优良的强韧性匹配。。

3)未经固溶时效处置的锻态TC20钛合金拉伸和CT试样，其断口出现典型的韧性断裂描摹特点，而经分歧固溶时效处置的试样断口重要以准解理断裂和解理断裂为主。。随着时效温度的升高，拉伸试样断口理论逐步出现二次裂纹和浮泛，塑性逐步降低，CT试样的韧窝逐步变小变浅，断裂韧性逐步降低。。

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（注，原文标题：：：固溶时效对TC20钛合金显微组织和力学机能的影响_钟明君）